設(shè)計(jì)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)

潘曉嵐　楊　斌　王?；?/p>

文章以S3C4510B的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔?，給出了驅(qū)動(dòng)程序的一般設(shè)計(jì)方法，具體描述了驅(qū)動(dòng)程序的初始化，數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送過程。

本文設(shè)計(jì)了基于S3C4510B的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，并通過串口輸出。文章給出了對(duì)一般性網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的編寫，但在調(diào)試中，有兩點(diǎn)需要注意：一是ARM板是處于大端方式還是小端方式；二是注意字符串的定義，如設(shè)備名等。本文適用于所有與NE2000兼容的以太網(wǎng)控制器在uclinux操作系統(tǒng)上驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，并可以供嵌入式系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)者參考。

S3c4510b內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨(dú)立接口（Media Independent Interface MII）和帶緩沖DMA接口（Buffer DMA Interface，BDI）。可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。在半雙工模式下，控制器支持CSMA/CD協(xié)議，在全雙工模式下支持IEEE802.3MAC控制層協(xié)議。

因此，S3C4510B內(nèi)部實(shí)際上已經(jīng)包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，因此，需外接一片物理芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。在該系統(tǒng)中，使用RTL8201作為以太網(wǎng)的物理層接口。

以太幀格式

以太網(wǎng)采用廣播機(jī)制，所有與網(wǎng)絡(luò)連接的工作站都可以看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)。它們通過查看包含在幀中的目標(biāo)地址，確定是否進(jìn)行接受或放棄。如果確定數(shù)據(jù)是發(fā)給自己的，工作站就會(huì)接受數(shù)據(jù)并傳遞給高層協(xié)議進(jìn)行處理。

標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：幀頭（Preamble）、幀的起始定界標(biāo)志（SFD-Start of Frame Delimiter）、目的地址（Destination）、源地址（source）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Length）、數(shù)據(jù)（Data）和幀校驗(yàn)序列（FCS）

在幀結(jié)構(gòu)中，除了數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度不固定外，其他域的長(zhǎng)度都是固定不變的。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，幀頭、幀起始定界符與校驗(yàn)和都是由NIC自動(dòng)填加的。在接收數(shù)據(jù)過程中，幀頭和幀起始定界符將由NIC跳過，即NIC一旦檢測(cè)到有效幀頭和幀起始定界符，就認(rèn)為有效數(shù)據(jù)開始，并將有效數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)。存入接收緩沖環(huán)的數(shù)據(jù)包括：目的地址、源地址、數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域及校驗(yàn)和。

幀頭是62位的1、0交替的位序列，即1010101010……10共62位。使用這一序列的目的是為了取得接收的串行數(shù)據(jù)的位同步信號(hào)。提取位同步信號(hào)的功能由SNI完成。

當(dāng)發(fā)送禎時(shí)，每一禎都包含了62位的幀頭，在接收禎時(shí)，幀頭的62位1、0序列則跳過。即使在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)丟掉一些1、0序列，也不會(huì)影響有效數(shù)據(jù)的正確接收。

禎起始定界符負(fù)責(zé)檢測(cè)有效幀的字節(jié)起始位置，由連續(xù)2位1組成。一旦NIC的定界邏輯檢測(cè)到兩個(gè)連續(xù)的1，就認(rèn)為有效幀已到，把接收到的串行數(shù)據(jù)以字節(jié)方式計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)送入FIFO（First In First Out）先入先出寄存器。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于某種原因，使幀頭中的某一位由0變?yōu)?，NIC就會(huì)接收到錯(cuò)誤的幀（由CRC校驗(yàn)邏輯完成），從而拒絕接收該幀數(shù)據(jù)。

下面定義了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)描述以太幀頭和以太網(wǎng)幀。

/*以太網(wǎng)幀頭*/

typedef struct {

BYTE dest[MACLEN];

BYTE srce[MACLEN];

WORD ptype;

}ETHERHDR;

/*以太網(wǎng)接收幀的最大長(zhǎng)度，包括校驗(yàn)和CRC在內(nèi)*/

#define MAXFRAMEC 1518 /*最大幀長(zhǎng)度（包括CRC）*/

#define MINFRAMEC 64 /*最小幀長(zhǎng)度（包括CRC）*/

/*高層驅(qū)動(dòng)采用以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)度減去幀頭和校驗(yàn)和的長(zhǎng)度*/

#define ETHERMTU (MAXFRAME-sizeof(ETHERHDR)) //數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

type struct {

ETHERHDR h; /*幀頭*/

BYTE data[ETHERMTU]; /*數(shù)據(jù)*/

LWORD crc; /*CRC*/

}ETHERFRAME;

以太網(wǎng)卡初始化

驅(qū)動(dòng)程序必須有一個(gè)初始化方法。在把驅(qū)動(dòng)程序載入系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)調(diào)用這個(gè)初始化程序。它做以下幾方面的工作：檢測(cè)設(shè)備，在初始化程序里可以根據(jù)硬件的特征檢查硬件是否存在，然后決定是否啟動(dòng)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。配置和初始化硬件，在初始化程序可以完成對(duì)硬件資源的配置配置或協(xié)商好硬件占用的資源以后，就可以向系統(tǒng)申請(qǐng)這些資源。有些資源是可以和別的設(shè)備共享的，如中斷。有些是不能共享的，如IO、DMA。接下來(lái)要初始化device結(jié)構(gòu)中的變量。最后，可以讓硬件正式開始工作。

為了使網(wǎng)卡處于在線工作狀態(tài)，能夠接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，首先必須對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括BDMATXCON、BDMARXCON、BDMATXPTR、BDMARXPTR、BDMARXLST、BDMASTAT、CAM、BDMATXBUF、BDMARXBUF等。

首先對(duì)以太網(wǎng)卡的寄存器進(jìn)行初始化，并設(shè)置以太物理地址，參考程序如下：

int s3c4510_eth_init(unsigned char *mac_addr)

{

int i;

// reset BDMA and MAC

outl(BRxRS, BDMARXCON);

outl(BTxRS, BDMATXCON);

outl(MaxRxFrameSize, BDMARXLSZ);

outl(Reset, MACON);

outl(gMACCON, MACON);

s3c4510_eth_fd_init();

for(i = 0; i < 4; i++)

CAM_Reg(0) = (CAM_Reg(0) < < 8) | mac_addr[i];

for(i = 4; i < 6; i++)

CAM_Reg(1) = (CAM_Reg(1) < < 8) | mac_addr[i];

CAM_Reg(1) = (CAM_Reg(1) < < 16);

outl(0x0001, CAMEN);

outl(gCAMCON, CAMCON);

outl(gBDMATXCON, BDMATXCON);

outl(gMACTXCON, MACTXCON);

outl(gBDMARXCON, BDMARXCON);

outl(gMACRXCON, MACRXCON);

return 0;

}

數(shù)據(jù)發(fā)送

在網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是，發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后通過網(wǎng)卡將幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上，接收方根據(jù)接收到的幀的目的地址來(lái)確定時(shí)候?qū)⒃搸峤唤o上層應(yīng)用程序。本地DMA通道使用緩沖環(huán)結(jié)構(gòu)(Buffer Ring Structure)來(lái)提供對(duì)接收的幀進(jìn)行緩存。該緩沖環(huán)由一系列固定長(zhǎng)度的緩沖區(qū)組成，每一個(gè)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度位256字節(jié)，并將它稱為一頁(yè)。因此，也可以說緩沖環(huán)是由一系列的頁(yè)組成，每頁(yè)的容量為256字節(jié)。緩沖環(huán)用來(lái)存放接收到的幀。接收緩沖環(huán)的地址可以由起始頁(yè)(PAGE STAR)和終止頁(yè)(PAGE STOP)寄存器來(lái)指定。為了將待發(fā)送的幀送入網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，必須使用NIC的遠(yuǎn)程DMA寫操作來(lái)完成。

幀的發(fā)送是指將待發(fā)送的數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸線上的過程，因此，數(shù)據(jù)的發(fā)送過程應(yīng)包括以下幾個(gè)大步驟：得到Tx幀描述符；裝入以太幀；發(fā)送以太幀；改變BDMA所有權(quán)，能夠接收下一個(gè)幀。其流程如圖所示。參考程序如下：

int s3c4510_eth_send(unsigned char *data, int len)

{

struct frame_desc_struct *fd_ptr;

volatile unsigned long *fb_ptr;

unsigned char *fb_data;

int i;

// 1. Get Tx frame descriptor & data pointer

fd_ptr = (struct frame_desc_struct *)gtx_ptr;

fb_ptr = (unsigned long *)&fd;_ptr-> frame_data_ptr;

fb_data = (unsigned char *)fd_ptr->frame_data_ptr;

// 2. Check BDMA ownership

if(*fb_ptr & BDMA_owner)

return -1;

// 3. Prepare Tx Frame data to Frame buffer

memcpy(fb_data, data, len);

if (len < 60) {

for (i = len; i < 60; i++)

fb_data[i] = 0x00;

len = 60;

}

// 4. Set Tx Frame flag & Length Field

fd_ptr->reserved = (Padding | CRCMode | FrameDataPtrInc | LittleEndian | WA00 | MACTxIntEn);

fd_ptr->status_and_frame_lenght = (len & 0xFFFF);

// 5. Change ownership to BDMA

fd_ptr->frame_data_ptr |= BDMA_owner;

// 6. Enable MAC and BDMA Tx control register

outl(gBDMATXCON, BDMATXCON);

outl(gMACTXCON, MACTXCON);

// 7. Change the Tx frame descriptor for next use

gtx_ptr = (unsigned long)(fd_ptr-> next_frame_desc);

return 0;

}

數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收是指將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并緩存于網(wǎng)卡的接收緩沖環(huán)中，然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺姝h(huán)的幀讀走并存入內(nèi)存中以備程序使用。從中可以看出，幀的接收過程分成兩步：第一步通過本地DMA將幀存入接收緩沖環(huán)；第二步是通過遠(yuǎn)程DMA并在主機(jī)的配合下將接收緩沖環(huán)中的幀讀入內(nèi)存。

一般設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數(shù)據(jù)放置到申請(qǐng)好的緩沖區(qū)里。接下來(lái)填充sk_buff中的一些信息。skb->dev = dev，判斷收到幀的協(xié)議類型，填入skb->protocol(多協(xié) 議的支持)。把指針skb->mac.raw指向硬件數(shù)據(jù)然后丟棄硬件幀頭(skb_pull)。還要設(shè)置skb->pkt_type，標(biāo)明第二層(鏈路層)數(shù)據(jù)類型?？梢允且韵骂愋停篜ACKET_BROADCAST，鏈路層廣播；PACKET_MULTICAST，鏈路層組播；PACKET_SELF，發(fā)給自己的幀；PACKET_OTHERHOST，發(fā)給別人的幀(監(jiān)聽模式時(shí)會(huì)有這種幀);最后調(diào)用netif_rx()把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)議層。netif_rx()里數(shù)據(jù)放入處理隊(duì)列然后返回，真正的處理是在中斷返回以后，這樣可以減少中斷時(shí)間 (下面的參考程序只是中斷之后的部分程序)。部分參考程序如下：

int s3c4510_eth_rcv(unsigned char *data, int *len)

{

struct frame_desc_struct *fd_ptr;

unsigned long rx_status;

unsigned long bdma_status;

unsigned char *tmp;

// 1. Get Rx Frame Descriptor

fd_ptr = (struct frame_desc_struct *)grx_ptr;

if (fd_ptr->frame_data_ptr & BDMA_owner)

return -1;

rx_status = (fd_ptr->status_and_frame_lenght >> 16) & 0xffff;

// 2. Get current frame descriptor and status

bdma_status = inl(BDMASTAT);

// 3. Clear BDMA status register bit by write 1

outl(bdma_status | S_BRxRDF, BDMASTAT);

// 4. If Rx frame is good, then process received frame

*len = 0;

if (rx_status & Good) {

*len = (fd_ptr->status_and_frame_lenght & 0xffff) - 4;

tmp = (unsigned char *)fd_ptr->frame_data_ptr + 2;

// 6. Get received frame to memory buffer

memcpy(data, tmp, *len);

}

// 5. Change ownership to BDMA for next use

fd_ptr->frame_data_ptr |= BDMA_owner;

// Save Current Status and Frame Length field, and clear

fd_ptr->status_and_frame_lenght = 0x0;

// 6. Get Next Frame Descriptor pointer to process

grx_ptr = (unsigned long)(fd_ptr->next_frame_desc);

// 7. Check Notowner status

if (inl(BDMASTAT) & S_BRxNO) {

outl(S_BRxNO, BDMASTAT);

}

if ((inl(MACRXSTAT) & 0x400) == 0x400) {

outl(gBDMARXCON, BDMARXCON);

outl(gMACRXCON, MACRXCON);

}

return 0;

}

到此程序設(shè)計(jì)部分已經(jīng)基本完成。

燒寫入內(nèi)核

最后，我把程序燒寫入內(nèi)核來(lái)驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)。首先將上述文件拷貝到drivers/net，然后編譯uClinux內(nèi)核： 鍵入命令：make menuconfig，內(nèi)核配置； 鍵入命令：make dep，來(lái)尋找依存關(guān)系；鍵入命令：make clean， 清除以前構(gòu)造內(nèi)核時(shí)生成的所有目標(biāo)文件，模塊文件和一些臨時(shí)文件; 鍵入命令：make lib_only,編輯庫(kù)文件;鍵入命令：make user_only，編輯用戶應(yīng)用程序；鍵入命令：make romfs，生成rom文件；鍵入命令：make image ，做到這一步的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的信息提示，這是因?yàn)榈谝淮尉幾g時(shí)還沒有romfs.o，所以出錯(cuò)，等romfs.o編譯好了以后，如果再進(jìn)行內(nèi)核的編譯，就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤信息了，它完全不影響內(nèi)核的編譯，可以完全不必理會(huì)這個(gè)錯(cuò)誤信息,繼續(xù)進(jìn)行編譯工作； 鍵入命令：make，通過各個(gè)目錄的Makefile文件進(jìn)行，會(huì)在各目錄下生成一大堆目標(biāo)文件。

上述步驟完成后，就完成了對(duì)uClinux源碼的編譯工作。